новые материалы и цифровые технологии что это
Новости
Топ-15 цифровых технологий в промышленности
Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ выделил на основе анализа больших данных наиболее значимые цифровые технологии, уже используемые или внедряемые в мировой и российской промышленности.
В современной индустрии цифровые технологии используются на всех этапах жизненного цикла — от концепт-идеи, проектирования, производства и эксплуатации до сервисного обслуживания и утилизации. Опора на «цифру» обеспечивает предприятиям значительные конкурентные преимущества, особенно в условиях неопределенности. Критическую роль цифровые технологии сыграли в 2020 г., когда с вызовами пандемии COVID-19 эффективнее всего справились наиболее роботизированные, автоматизированные и готовые к совместной удаленной работе предприятия.
Тренды и эффекты применения цифровых технологий в промышленности
Открывающие топ-15 промышленные роботы (№ 1) помогают сокращать расходы на оплату труда, удерживать на стабильном уровне качество продукции, увеличивать технологическую гибкость производства. В российской промышленности роботы больше всего применяются в автомобилестроении, на химических и нефтехимических предприятиях.
В области искусственного интеллекта (ИИ) (№ 2) в последние годы сделан скачок от использования полуавтономных роботов-манипуляторов на гибких производственных линиях до управления автономными транспортными средствами, перемещающимися в цехах и между цехами. В будущем все более совершенные технологии ИИ позволят полностью автоматизировать производственные процессы и оптимизировать работу не только отдельных предприятий, но целых отраслей промышленности.
В ситуациях, в которых или опасно, или невозможно, или малоэффективно задействовать человеческие ресурсы (например, для работы в труднодоступных местах, в условиях вечной мерзлоты или повышенной радиации, на вредных химических производствах), все чаще применяют технологии машинного обучения (№ 3). Также на них полагаются, когда по мере накопления массивов данных о состоянии промышленного оборудования, людям становится не под силу прогнозировать его остаточный ресурс и критически важные неисправности, предотвращать внезапный выход из строя и производить техобслуживание по состоянию.
Для адаптивного контроля операций роботов применяются решения на основе компьютерного (машинного) зрения (№ 11). К примеру, завод Philips по производству бритв (Нидерланды) выглядит как неосвещенное помещение, где установлены 128 роботов, за работой которых следят всего девять сотрудников. Компьютерное зрение также помогает контролировать действия персонала в части выполнения требований техники безопасности. Технологии автоматической фиксации и обработки подвижных и неподвижных объектов с помощью компьютерных средств уже способны в режиме реального времени определять по видео- или фотоизображению, где находится человек и его части тела (голова, руки, ноги), и оценивать правильность ношения спецодежды (перчаток и каски), а в ближайшее время выведут работу предприятий на качественно новый уровень.
Кратно повышает эффективность производства и значительно сокращает сроки окупаемости проектов внедрение промышленного интернета вещей (№ 13). Массивы больших данных (№ 8), получаемые, в частности, с беспроводных устройств с поддержкой протокола IP, включая смартфоны, планшеты, датчики, и с других приборов, используются в широком спектре приложений. Основные среди них — прогнозирование рыночной ситуации, совершенствование продукции, оптимизация маркетинга и продаж. Отслеживание цепочек поставок на основе блокчейна (№ 7), смарт-контракты (№ 12) и другие электронные сделки, а также маркетплейсы способствуют усилению промышленной кооперации. Благодаря изучению пользовательского опыта на основе данных с носимых устройств предприятия переходят в послепродажном обслуживании от «ремонта по регламенту» к «ремонту по состоянию» и в целом развивают сервисную бизнес-модель «товар как услуга» (№ 10).
Дизайнеры, производители и инженеры используют цифровое прототипирование (№ 4) для проектирования продуктов и визуализации всего процесса их производства. VR-тестирование (№ 9) позволяет сокращать сроки и стоимость разработки новых товаров, тестировать и улучшать качество продукции. Так, благодаря внедрению цифровых испытаний самолетов на виртуальных полигонах ПАО «ОАК» удалось почти вдвое уменьшить количество полетов для отладки бортовых систем.
Предприятия часто объединяют разработки различных технологических направлений. Например, для ускоренного создания и вывода на рынок продуктов и услуг используют системы на основе «цифровых двойников» (№ 14) производственных процессов, включающие элементы ИИ, интернета вещей, сенсорики (5) и технологии беспроводной связи (№ 6). В ходе эксплуатации такие системы помогают оптимизировать работу предприятий, минимизировать сбои и остановки; по оценкам ОЭСР, они с точностью до 95% могут прогнозировать реакцию оборудования на нагрузки и на 5-10% снижать издержки на обслуживание сложных индустриальных комплексов. Ежегодный прирост рынка «цифровых двойников» с 2020 по 2026 гг., по данным MarketsandMarkets, составит около 60%. Другой наглядный пример комбинирования цифровых технологий — умные фабрики (№ 15), полностью автоматизированные (роботизированные) производства, на которых управление всеми процессами в режиме реального времени и с учетом постоянно изменяющихся условий обеспечивает связка технологий интернета вещей, анализа Big Data и информационных систем управления производственными и бизнес-процессами.
Комментарий
Нина Тарасова, директор Центра промышленной политики ИСИЭЗ НИУ ВШЭ:
Преимущества использования цифровых технологий в промышленности очевидны — от снижения затрат, повышения производительности труда и качества продукции до сокращения сроков ее вывода на рынок (time to market).
Показательно, что среди наиболее значимых для индустрии решений преобладают искусственный интеллект и роботы. Такой тренд свидетельствует об изменениях в бизнес-моделях предприятий: они стремятся выпускать все более кастомизированную продукцию, повышая лояльность потребителей и сохраняя принципы экономии и энергоэффективности.
Другой заметный тренд — объединение на базе цифровых платформ всех участников цепочки создания стоимости в единую экосистему. Его поддерживают главным образом технологии гибкого (быстро адаптируемого к внешним изменениям) распределенного сетевого производства.
Источники: Расчеты на основе системы интеллектуального анализа больших данных iFORA (правообладатель — ИСИЭЗ НИУ ВШЭ); материалы доклада «Цифровая трансформация отраслей: стартовые условия и приоритеты» (НИУ ВШЭ, 2021), выпущенного к XXII Апрельской международной научной конференции по проблемам развития экономики и общества; результаты проекта «Применение семантического анализа больших текстовых данных для исследования тенденций развития и динамики распространения цифровых технологий» тематического плана научно-исследовательских работ, предусмотренных Государственным заданием НИУ ВШЭ.
Материал подготовили Нина Тарасова и Полина Шпарова
Современные технологии: сферы применения, использования, внедрения, развития
Сфера развлечений
Технология, описанная писателями еще задолго до ее появления, – виртуальная реальность. Конечно, до капсул, в которых тело будет отдыхать, а мозг видеть реальные сны, достаточно далеко. Но уже сейчас можно видеть своими глазами то, чего нет, и при этом не попасть на прием к врачу. Дополненная и виртуальная реальность станет видима для любого, кто приобретет специальные очки и установит нужное приложение на смартфон.
В чем разница этих технологий:
Космический корабль SpaceShipOne
Управляемый суборбитальный космический корабль, который может перевозить до 3-х пассажиров – такая характеристика дается аппарату SpaceShipOne. Под суборбитальной понимается высота более 100 км, а это уже космос. Сегодня космический корабль не используется, т.к. свои основные задачи он выполнил – принёс победу в конкурсе своим создателям (да был такой конкурс, где нужно было такой аппарат сварганить), и доказал, что космический туризм доступен уже сегодня. Всего SpaceShipOne совершил 17 полётов.
Сейчас активно дорабатывается SpaceShipTwo, который может перевозить 6 пассажиров и 2 пилотов. Тестируется он уже с 2010 года, и в ближайшее время компания-разработчик обещает совершить первый космический пассажирский перелёт. Правда стоить такое удовольствие будет немало.
Медицинские чипы
Интернет вещей несет перемены и в медицину. Миниатюрные сенсоры, устанавливаемые на жизненно важные органы человека, позволяют вести дистанционную диагностику здоровья, составлять статистику и забыть об очередях в больнице.
Открытая экосистема искусственного интеллекта
Цифровые помощники, нейросети и чатботы скоро возьмут на себя большой спектр задач, прежде принадлежащих человеку. Уже сейчас искусственный интеллект, при должной настройке способен поддерживать вполне осмысленный диалог с человеком. Через 10-20 лет искусственный разум станет гораздо ближе среднестатистическому жителю Земли — он будет отслеживать финансы, консультировать по вопросам медицины и будет работать диспетчером на производстве.
Автономное искусственное сердце
Речь пойдёт об искусственном сердце AbioCor, изобретение которого дало основу для будущих разработок в этом направлении. AbioCor может продлить жизнь пациенту, имеющему тяжёлую сердечную недостаточность. К сожалению, на момент появления технологии такое сердце могло вживляться только людям с определёнными антропометрическими данными. Заряда батареи хватало только на час. Однако искусственное сердце работало, люди продолжали жить.
Сегодня благодаря опыту AbioCor внедряются новые технологии, которые в перспективе могут спасти не один миллион жизней, т.к. по статистике болезни сердца являются самыми распространёнными причинами смертей в мире. Именно поэтому данное изобретение стоит на втором месте нашего ТОПа.
Стволовые клетки из клеток взрослого организма
Стволовые клетки используют для выращивания органов и тканей человека. Это актуально для лечения целого ряда болезней. Поэтому к величайшим открытиям 21 века можно отнести тот факт, что люди научились выращивать нужные для пересадки органы, а не надеяться на то, что появится подходящий донор.
Раньше стволовые клетки получали только из эмбриона. Это было не только неэтично, но и опасно, так как клетки брали с помощью шприца, которым прокалывали плаценту. А это порой приводило к выкидышу. Ко всему прочему, полученные клетки приходилось долго хранить в заморозке. Позволить себе это могли только очень богатые родители.
Использование стволовых клеток взрослого человека решает проблему полностью. И хотя эта технология пока еще новая и дорогая, в будущем замена вышедшего из строя органа выращенным из пробирки станет обычным делом.
Робот-сиделка
Уход за тяжелыми больными – трудная и изматывающая работа. Неудивительно, что изобретатели разных стран предлагают свои технические решения для её облегчения. В будущем подобные роботы, возможно, покажут себя как одно из важнейших изобретений человечества. Японцы создали робота, способного перекладывать человека с кровати на кресло и обратно, перемещаясь на большие расстояния. А студенты Массачусетского университета представили андроида, способного подавать различные предметы и самообучаться по ходу работы. Сегодня роботы не в состоянии обеспечить нормальный уход за человеком, они лишь могут выполнять несколько действий. Смогут ли они заменить сиделок в полном объеме – покажет будущее.
Противозачаточный пластырь
Изобретение 21 века: противозачаточный пластырь.
Наверняка все слышали об этом маленьком квадратике, который нужно просто приклеить на кожу женщины и который помогает предотвратить беременность. Они уже существуют в течение нескольких лет, а также такие пластыри безопасные с медицинской точки зрения и эффективные. Добро пожаловать в двадцать первый век.
Бионические контактные линзы
Это изобретение – виртуальный дисплей, который может иметь множество сфер применения. Устройство в законченном виде будет иметь вид самой обычной контактной линзы, но с включения бионических технологий. Смотря через такие линзы, можно будет увидеть, что генерируемый дисплей накладывается на реальный мир. С будущих разработках ожидаются встроенные солнечные батареи, беспроводная связь и передача электроэнергии радиочастотами. Изобретение уже тестировалось на кроликах в течение 20 минут, у животных при этом никаких проблем со зрением не наблюдалось.
Блокчейн
Эта технология может изменить практически любую отрасль — финансы, ритейл, грузоперевозки и даже сельское хозяйство. Блокчейн — своеобразная децентрализованая база данных, из которой невозможно удалить или подделать информацию. Это перспективная технология, но пока она не получила широкого распространения. Одна из причин в том, что государственные структуры предпочитают самостоятельно заниматься защитой данных, что несколько ограничивает область применения блокчейна.
Криптовалюты
Строго говоря, криптовалюты — первая и самая известная реализация технологии блокчейн. Но значимость криптовалют позволяет нам выделить их. Криптовалюты должны позволить покупать товары и услуги без посредников и комиссий. Однако их репутации вредят незаконные сделки и слишком большой ажиотаж. Кроме того, криптовалюты рискованны и пока не очень распространены.
Новые производственные технологии
К ним относятся аддитивные технологии, цифровое моделирование и новые материалы. Преимущество аддитивного производства заключается в сложении или наслаивании материала при изготовлении сложных деталей, что в разы экономичнее выпиливания или отрезания.
Пример аддитивной технологии – 3D-печать. Чтобы аддитивные технологии работали, нужно создать электронную модель изделия. При помощи технологий цифрового моделирования и проектирования не только рисуют трехмерный макет изделия, но и рассчитывают, какой потребуется материал для его изготовления, какие нагрузки он выдержит, вплоть до выбора поставщика. В идеале компьютер должен выполнять работу целого конструкторского бюро.
Новые материалы – это материалы на стыке нескольких наукоемких областей, такие как биоинженерные материалы, сверхпроводники, передовые полимеры, нанопорошки и наноуглеродные материалы. Они требуются для того, чтобы оборудование могло выполнять новые функции.
В качестве примера можно привести проект «Фабрики будущего». Он направлен на создание площадок цифрового проектирования и моделирования, а также тестирования продукции нового поколения в области автомобилестроения, судостроения, вертолетостроения и т. д. «Умные» фабрики позволят сократить сроки разработки и производства, а также себестоимость изделий. Проект предполагает запуск двух испытательных полигонов к 2018 году и 30 «Фабрик будущего» к 2035 году. Его будут реализовывать Институт передовых производственных технологий СПбПУ, группа компаний CompMechLab, научно-производственное объединение «Сатурн» (входит в структуру «Ростеха»), Сколковский институт науки и технологий и другие.
Устройства для чтения мыслей
О передаче сложных мыслей напрямую из мозга в различные устройства в ближайшее время можно не мечтать. Но еще в 1998 году в продажу поступил гаджет, позволяющий парализованным людям включать и выключать свет силой мысли. А в 2008 году японские ученые под руководством Джуничи Ушибы позволили парализованному человеку отдавать простейшие команды персонажу в компьютерной социальной игре.
Уже несколько крупных компаний сегодня продают телепатические устройства, позволяющие управлять приложениями или игрушками. Они активно сотрудничают с игровыми производителями, что при хорошем развитии событий даст значимый результат в будущем. Перспективным является использование таких устройств и в медицинских целях. По этой причине устройство для чтения мыслей, в будущем, могло бы стать одним из самых полезных изобретений человечества.
Носимая электроника
Умные очки и часы — это устройства, которые соединяют нас с внешним миром. Но есть и технологии, которые соединяют нас с нашим телом. Их разработкой занимаются крупные научные институты, корпорации и маленькие компании. Речь идёт о наушниках, которые измеряют частоту сердечных сокращений, линзах, отслеживающих уровень сахара в крови, и татуировках с технологией NFC.
Как только разработчики смогут сделать такие гаджеты доступными, рынок заполнят различные имплантаты, которые будут считывать важную информацию в реальном времени и отображать её на тех же умных очках.
Умный дом
Эта технология уже стала реальностью. Холодильники сообщают, какие продукты заканчиваются, а духовку можно контролировать с помощью своего смартфона.
В будущем духовка научится разогревать еду, пока вы едете домой, а холодильник сам закажет продукты. Вы же в это время сможете сосредоточиться на более важных делах.
Технологии беспроводной связи
Сейчас в приоритете технологии 5G. Идея 5G заключается в том, чтобы выделить под нужды широкополосного мобильного доступа миллиметровые частоты свыше 24 ГГц, что позволит достичь скоростей передачи данных свыше 10 Гбит, то есть более чем в 10 раз быстрее соединения по оптико-волоконному кабелю.
В принципе, скорости 4G более чем устраивают потребителей, но 5G позволит отчасти перехватить технологический контроль за интернетом у США, поэтому в него очень активно вкладываются Китай, Южная Корея, Европа.
Россия также предпринимает шаги по усилению своего влияния в области развития 5G. В конце сентября 2015 года она предложила Международному союзу электросвязи стандартизировать для сетей 5G диапазоны частот 4440–4500, 4800–5000 и 5925–6425 МГц, широко используемые у нас в стране. Примерно тогда же было достигнуто соглашение о сотрудничестве стран БРИКС в области стандарта связи пятого поколения, интернета вещей и облачных технологий.
В России системы беспроводной связи разрабатывает компания Ranberry, которую основали сотрудники Института проблем передачи информации РАН.
Развитие и удешевление складных гаджетов с гибкими дисплеями
В 2021 году практически у всех производителей мобильных гаджетов появятся новинки.
LG в первом квартале выпустит рулонный смартфон Rollable с чипом Snapdragon 888. Путем растягивания телефон увеличивается с 6,8 до 7,4 дюйма. Основное преимущество — никаких изгибов экрана. С похожими характеристиками на рынок выйдет двухэкранный «сэндвич» от OPPO.
Samsung Galaxy Z Fold 2 — раскладушка с 8-дюймовым экраном от корейского производителя получила вспомогательный 4-дюймовый экран на внешней стороне и лишилась привычных фронтальных камер. Все снимки делает многомодульный объектив. Как знать, может быть Samsung задает новый тренд на отказ от двухстороннего расположения камер.
Производитель смартфонов предлагает несколько вариантов дальнейшего развития технологии. В Galaxy Z Fold экран разделен на три секции, центральная область равна двум боковым, в результате телефон становится похож на классическое трюмо. В другой вариации Z-образная конструкция позволяет выворачивать наружу два экрана под 180 градусов.
Xiaomi выпустит телефон с двойным экраном, причем раскладываться будет только один по горизонтали, вытягиваясь из корпуса. Плавным движением руки смартфон превращается в планшет без фронтальной камеры. В Xiaomi Mi Max Alpha будет установлен сворачивающийся Amoled-дисплей от Visionox, радиус скручивания 7 мм, диагональ 10 дюймов.
Intel не отстает от ведущих игроков рынка и предлагает свой 17-дюймовый планшет с гибким экраном под рабочим названием Horseshoe Bend.
Другие тренды: на смену девайсам с большим количеством камер приходят мультиэкранные гаджеты. Стилус появится сразу у нескольких производителей и с большой вероятностью станет must have для будущих поколений мобильных устройств. Смартфоны будут толще, тяжелее, их придется чаще заряжать — экраны потребляют 6 мВт на квадратный сантиметр, но время пополнения батареи сократится благодаря зарядным устройствам мощностью свыше 30 Вт. Цены снижаются: в 2021 году нет разницы — гибкий или твердый экран, Apple или Nubia — производители предлагают примерно одинаковую цену за свои устройства.
Билборд, который производит чистую воду
Инженерно-технологический университет Перу в сотрудничестве с рекламным агентством Mayo DraftFCB разработал билборд, способный преобразовывать атмосферную влагу в питьевую воду. Недостаток чистой питьевой воды – отдельная проблема для Перу, это изобретение позволит улучшить качество жизни местного населения.
Нанороботы
На сегодняшний день многие ученые стремятся создать нанороботов – машины, которые смогут работать на атомном и молекулярном уровнях. Такое изобретение даст возможность производить молекулярные материалы. Можно будет, например, делать кислород или воду. Также в хозяйственной сфере они смогут создавать продукты питания, топливо и участвовать в других процессах, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Такие роботы смогут сами себя создавать.
Нанотехнологии являются символом будущего и одним из векторов развития цивилизации. Их использование возможно практически в любых сферах человеческой жизни.
В медицине появление нанороботов приведет к полному излечению организма человека. Их можно будет запустить в тело. Правильно запрограммированные машины начнут уничтожать вирусы и другие вредные вещества, находящиеся внутри организма. С помощью нанотехнологий можно придать красивый и здоровый вид коже человека.
В экологии электронные машины помогут прекратить загрязнение планеты. С их помощью можно будет проводить очищение воды, воздуха и других жизненно важных источников здоровья человека.
Такие необычные изобретения человечества могут помочь в решении сложных задач, однако на данный момент разработки находятся на научно-исследовательской стадии.
На сегодняшний день созданы некоторые компоненты будущих молекулярных машин, проводятся различные конференции, посвященные вопросу создания нанороботов.
Существуют примитивные прототипы будущих машин. В 2010 году впервые были показаны молекулярные машины на основе ДНК, которые могут перемещаться в пространстве.
Мир нанотехнологий не стоит на месте, и возможно, 21-й век еще будет наименован веком, в котором появятся самые необычные изобретения.
Частица Бозона-Хиггса
Ее существование было предсказано еще в 1960 году, но открыли частицу только в 2006 году в Женеве. Это стало возможным, благодаря строительству большого адронного коллайдера. Частицу Бозона еще называют «частицей Бога», так как именно она является тем основным кирпичиком, из которого появилась Вселенная. Это величайшее открытие в физике 21 века не только поможет в недалеком будущем создавать новые вещества, но и станет базой для дальнейших свершений. Например, выпуска двигателей, работающих по новым принципам и позволяющих преодолевать огромные расстояния за короткое время.
Беспилотные автомобили
Идея создать транспортное средство, которое сможет передвигаться по дорогам самостоятельно, без участия водителя, появилась очень давно. Но громадные технические сложности долго не позволяли реализовать эту идею на практике. Ещё в 2004 г. на соревнованиях беспилотных автомобилей в США ни одна машина не смогла пройти весь маршрут и доехать до финиша. Но ситуация менялась, конструкторы оснащали автомобили всё более совершенными датчиками и всё более продвинутым искусственным интеллектом, и после 2010 г. появились модели, способные самостоятельно ездить по улицам городов. В настоящее время в нескольких странах уже работают беспилотные автобусы и такси, а власти многих городов вполне серьёзно рассматривают проекты развития беспилотного транспорта.
Гибридный автомобиль
Изобретение 21 века: гибридный автомобиль.
Для некоторых может показаться странным, что гибридный автомобиль с двумя источниками энергии действительно может быть безопаснее для окружающей среды, чем традиционный автомобиль. Тем не менее, многие эксперты твердят именно это. Только время покажет, является ли это одним из величайших изобретений нашего века или просто очередной сверхраздутой идеей, которая с треском провалилась.
Мультикоптеры
Мультикоптеры (в основном в виде квадрокоптеров), или дроны, также появились совсем недавно. С одной стороны, сама схема подобного летательного аппарата с 4 (или большим числом) винтов не была чем-то новым, да и беспилотных летательных аппаратов в 20 веке было сконструировано достаточно, но в 21 веке в этой области был совершён настоящий прорыв.
Произошло это, с одной стороны, благодаря развитию электроники и появлению небольших микросхем, способных контролировать полёт мультикоптеров, а с другой, благодаря появлению компактных литий-ионных аккумуляторов, способных обеспечить дроны достаточной энергией для полёта.
Первый мультикоптер современного типа появился в 2006 году и был разработан немецкой компанией Mikrokopter.
Стоил он дорого — 1500 евро, но конкуренты быстро переняли идею и вскоре сконструировали огромное количество более доступных моделей. Сегодня квадрокоптеры уже активно используются для съёмок, составления карт, различных исследований и доставки небольших грузов.
Невидимый небоскреб
Башня Бесконечности в Южной Корее вошла в список 25 лучших изобретений по версии журнала Time в 2013 году. Она стала первым небоскребом в мире, который в течение нескольких часов в сутки обеспечивает беспрепятственный обзор неба, находящегося за ним. Ее строительство будет завершено в 2016 году. Архитекторы всего мира расценивают ее как настоящее архитектурное чудо, которое раскроет новые горизонты в мире архитектуры и инженерии.